多旋翼無人機直流電機驅動系統優化

成都信息工程大學 何建霖 李則辰

1.前言

無人機是一種具有獨立升力設備，可以在無需駕駛員操控的情況下完成自主飛行任務的飛行設備。結構緊湊，動力利用效率高是無人機設備在軍事、農業等領域所表現出來的主要特點。根據多旋翼無人機的運行特點，這一設備對直流電機驅動系統有著較為嚴苛的要求。現階段多旋翼無人機中所使用的直流電機為由霍爾位置傳感器控制的無刷直流電機和不受霍爾位置傳感器控制的無刷直流電機組成。反電動勢三次諧波積分檢測法、磁鏈估計法和續流二極管檢測法等檢測方式是多旋翼無人機直流電機驅動系統素所用的轉子獲取方法。

2.多旋翼無人機驅動系統的工作原理

微電子技術及計算機技術的快速發展，讓多旋翼無人機成為了飛行器領域的研究熱點。無人機系統技術在軍事、農業等領域發揮著重要的作用。無位置傳感器無刷直流電機是多旋翼無人機的動力基礎。無刷直流電機系統的構成、驅動方法及無刷直流電機驅動系統的系統結構是多旋翼無人機驅動系統的工作原理的主要影響因素。

2.1 無刷直流電機系統的構成

根據無人機系統的研究現狀，多旋翼無人機可以分為商業多旋翼無人機，軍用多旋翼無人機等多種設備。與之相關的無刷直流電機驅動系統包含有控制中樞、驅動部分及電源部分等多個部分。電機系統中的三項定子繞組、24對定子繞組和三相定子繞組可以與MOSFET功率開關期間相連接。三相繞組三角連接方式和三相繞組星型連接方式是定子繞組的主要連接方式。

2.2 無刷直流電機的控制方法

無刷直流電機在多旋翼無人機驅動系統的運行過程中發揮著較為重要的作用。根據多旋翼無人技術的研究現狀，直流電機設備研究與無人機流場研究是飛行器研究領域所關注的兩大重要問題[1]。多旋翼無人機的流場研究可以為多旋翼無人機編隊協同飛行的安全提供保障。對多旋翼無刷直流電機的控制方法進行分析，可以為多旋翼無人機流場研究工作的開展提供一定的技術支持。在無刷直流電機的定子繞組與換相開關之間的連接方式存在差異性的情況下，人們可以將無數直流電機的控制方法分為以下內容。一是三相全橋式控制方式；二是三相半橋式控制方式。其中前者的控制結構和電路結構的復雜度要高于后者的相關結構。三相Y連接全橋控制電路可以被看作是三項全橋控制方法的代表元素。單片微型計算機MCU微控單元也在多旋翼無人機電機驅動系統中發揮著較為重要的作用。

2.3 無刷直流電機驅動系統的系統結構

無刷直流電動機中未安裝有用于檢測轉子位置的傳感器。轉子位置是電動機換相主要影響因素。為了讓電動機在正常運轉階段獲取精準的轉子位置信號，反電動勢三次諧波積分檢測法和磁鏈估計法等檢測方法在多旋翼無人機直流電機驅動系統中得到了應用。為避免檢測誤差的出現，人們在對反電勢過零檢測原理進行應用的基礎上，構建了三向六臂全控電橋驅動電路。主控計算機、電機、控制模塊和1R2101驅動陣列驅動模塊是無刷直流電機驅動系統的中不可缺少的元件。

3.多旋翼無人機驅動系統的常見故障

根據多旋翼無人機驅動系統的研究現狀，多旋翼無人機的嵌入式自主飛行控制系統設計問題已經得到了一些學者的關注[2]。無人機驅動系統在直流電機在多旋翼無人機自主飛行系統中發揮著重要的作用。與多旋翼無人機驅動系統有關的系統故障涉及到了三相全控電橋短路故障及換相故障等多種故障形式。

3.1 三項全控電橋斷路故障

多旋翼無人機驅動系統的三相全控電橋斷路故障與多旋翼無人機直流電機的驅動系統負荷及系統中各個器件的工作環境之間有著較為密切的聯系。在多旋翼無人機正常運轉的情況下，驅動系統三相全控電橋所發出的調制信號可以被看作是電機相端電壓輸出波形的主要影響因素。三相全控電橋故障問題的出現，會讓電機的電壓端波形難以與調制信號保持一致性。如在三相全橋開關器件MOSFOT功率管出現故障以后，故障發生區域的端電壓會出現較為明顯的不規則變形。

3.2 換相故障

多旋翼無人機驅動系統的換相故障是驅動系統在未能獲取準確的轉子位置信息的情況下所產生的故障形式。超前換相和滯后換相是直流電機驅動系統換相故障的兩種表現形式。在換相故障產生以后，驅動電路所散發的大量熱量會給直流電機驅動系統的正常工作環境帶來破壞，最終導致墜機現象的出現。

3.3 MOSFET擊穿故障

在連接外接電源以后，不導通相所產生的反向電動勢會在無刷直流電機電壓平衡方程式中發揮較為重要的作用。在第三項產生的感生電動勢見效益和，電樞繞組的電流的增加，會讓驅動系統的運行效率有所降低。在電樞繞組中的電流增加至幾百安培以后，MOSFET擊穿短路故障的出現，會嚴重影響驅動系統的安全性和和可靠性。

4.多旋翼無人機直流電機驅動系統的優化措施

隨著科學技術的不斷發展，多旋翼無人機技術已經表現出了智能化、集成化的發展趨勢[3]。燃料電池、太陽能電池設備的應用，已經讓多旋翼無人機的續航時間得到了增加，對多旋翼無人機直流電機驅動系統進行優化，可以讓多旋翼無人機更好地在國防、農業等領域發揮自身的作用。

4.1 端電壓檢測電路的優化措施

基于換相點的檢測方法反電勢檢測可以在三項六態控制的無刷直流電機中得到應用。在氣隙磁場對電機繞組的影響忽略不計的情況喜愛，人們通過MCU控制MOSFET功率開關器件的方式實現直流電機驅動系統的換相導通。現階段電阻分壓法和利用傳感器直接檢測電機相繞組電壓的檢測方法是應用于端電壓檢測的主要檢測方法。其中電阻分壓法具有著結構簡單、易于操作的特點。為了讓端電壓檢測電路發揮出優化端電壓檢測電路的作用，相關設計人員可以讓端電壓檢測電路所獲取的反電勢延遲信號過零點信號直接傳輸至MCU之中。此時MCU可以在轉子轉過的電角度為30°的情況下，通過I/O口發出的相應控制，完成PWM信號占空比的調整，PWM信號占空比的調整也可以讓直流電機中的功率MOSFET管的導通順序得到改變，此時人們可以在對直流電機的轉速和方向進行控制的基礎上，為電機的穩定運行及快速響應提供保障。

通過對無刷直流電機繞組相輸出電壓進行分析，我們可以發現，輸出電壓中不僅包含有相電壓，還含有大量的噪聲引號。這些噪聲信號會影響反電勢過零點信號檢測的檢測效率的精確度。在位置檢測輸出之前增加濾波電容的措施也可以發揮出過濾噪聲信號，優化端電壓檢測電路的作用。

4.2 電源模塊的優化措施

以某型號無人機為例，該設備的電機驅動系統主控設備為C8051F500單片機，這一單片機的工作電壓為3.3V.TI公司生產的IR2101驅動模塊是電機的驅動模塊，該模塊的電壓為12V，其所提供的電源電壓為24V。針對電源故障問題對無人機設備正常運行的影響，人們可以借助以下方式對電源模塊進行優化：一是借助電阻分壓法優化電源模塊；二是直接利用低電壓輸出模塊；三是利用線性穩壓轉換芯片完成電源模塊的優化。在電源模塊優化方面，電阻分壓法存在著功耗過高的缺陷。電機設備在功耗過高的情況下所產生的大量熱量也會嚴重影響直流電機驅動系統的可靠性。建立在無人機直流電機電源開關技術基礎之上的電源模塊的工作效率相對較高，但是這一設備也存在著抗干擾能力差和成本過高的問題，在無人機設備直流電機驅動系統的需求數量相對較多的情況下，直接采用電源模塊的電源模塊優化措施也并不具有可行性。線性穩壓芯片是多旋翼無人機直流電機驅動系統優化過程中常用的一種電源轉換芯片。這種芯片所需的外圍元器件的數量相對較少。在多旋翼無人機直流電機驅動系統之中，人們可以借助低電壓差線性穩壓器為系統提供電源。這一電源模塊優化技術具有著成本低，穩壓功能強的特點，故而可以在多旋翼無人機直流電機驅動系統優化過程中得到應用。

4.3 驅動模塊1R2101陣列的優化

根據無人機直流電機驅動系統的特點，MCU單片機所輸出的PWM信號并不具備驅動MOSFET功率管的通斷的能力。在MCU控制信號與功率電路之間增加驅動電路的措施是對無人機直流電機驅動系統進行優化的有效措施。如果無人機直流電機驅動系統之中應用有三項全控電橋，相關人員可以在系統之中添加三種帶有電壓分所功能的IR2101芯片。以IR公司生產的IR2101功率管芯片為例，該芯片的輸出電流在100-210mA之間，每一個驅動芯片可以在兩個不同的MOSFOT功率管的開斷過程中得到應用。這種芯片所具有的外圍電路簡單化特點，可以讓邏輯電路對功率器件的要求得到有效降低。

4.4 功率管的優化措施

無人機直流電機系統功率管優化涉及到了源漏極電壓、柵漏極電壓等多種因素。以MOSFET管為開關器件的優化方案可以讓開關器件的響應速率得到提升。為避免驅動系統中出現的驅動電壓不足問題，人們可以在無人機直流電機驅動系統中應用6種MOSFET管。

5.結論

無人機驅動系統在直流電機在多旋翼無人機自主飛行系統中發揮著重要的作用。對端電壓檢測電路、電源模塊和驅動模塊1R2101陣列進行優化，以讓多旋翼無人機更好地在國防、農業等領域發揮自身的作用。

[1]沈奧,周樹道,王敏,彭舒齡,任尚書.多旋翼無人機流場仿真分析[J/OL].飛行力學:1-5.

[2]朱球輝.多旋翼無人機的嵌入式自主飛行控制系統設計的研究[J].電子測試,2017(04):17-18.

[3]代君,管宇峰,任淑紅.多旋翼無人機研究現狀與發展趨勢探討[J].赤峰學院學報(自然科學版),2016,32(16):22-24.